生化池羅茨風機鼓風曝氣變頻調速的PID控制節能途徑

山東錦工有限公司是一家專業生產羅茨鼓風機、羅茨風機、回轉式鼓風機等機械設備公司，位于有“鐵匠之鄉”之稱的山東省章丘市相公鎮，近年來，錦工致力于新產品的研發，新產品雙油箱羅茨鼓風機、水冷羅茨鼓風機、油驅羅茨鼓風機、低噪音羅茨鼓風機，贏得了市場好評和認可。產品和服務遠銷全國各地及東南亞，深受客戶好評。

羅茨鼓風機曝氣系統的電耗一般占污水處理系統電耗的40%～60%，是污水處理節能的關鍵。最根本的節能措施是提高曝氣控制效率，降低氧的浪費，減小風量。最顯著的節能方法是羅茨鼓風機氣量控制節能，即供氣供氧設備采用羅茨鼓風機變頻控制，在PID自動控制下直到溶解氧（DO）濃度穩定在設定值，可解決兩方面問題：第一，溶解氧濃度太低污水不能達標；第二，溶解氧濃度太高，不僅浪費電能還可能使活性污泥上浮使出水也不能達標。根據鼓風曝氣變頻調速PID控制系統應用在桂林市排水工程管理處北沖污水處理廠污水處理工藝中的良好效果，分析了其系統的控制，對提高污水處理的節能和穩定性有一定的實用性。

1 工程概況
1.1 自控概況
北沖污水處理廠坐落于桂林市西北面，2003年8月開始擴建，新廠區占地面積38畝，于2005年4月開始試運行，設計日處理能力為3萬t，目前實際進廠污水量為2.5萬t/日，均達標處理，其進水以生活污水為主。采用A2/O活性污泥法處理工藝，出水水質達到GB 18918-2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級B類標準。廠內自動化控制系統由就地控制層、現場PLC控制層和中央監控層組成；控制網絡為監控通信光纖工業以太網。PLC控制系統采用西門子SIMETIC S7-300系列可編程控制系統。各現場控制站分布在各工藝段，與中控室監控計算機通過工業以太網實現通信和數據傳輸。中心控制室對污水處理工藝參數采集、顯示、修改、設置和管理，對廠區內被控設備運行狀態檢測、顯示，中控室監控計算機通過工業以太網，與各現場PLC控制站交換數據、采集信息，遙控和管理各現場PLC控制站內的機電設備，并按工藝要求實現對其控制。操作人員可在中心控制室完成集中監控、報警處理、事件處理、報表打印、設備運行能耗管理、單位水量處理成本等工作，實時監視、控制整個污水處理工藝流程的運行工況。
1.2 污水處理工藝及工藝流程圖
北沖污水處理廠采用A2/O活性污泥法處理工藝，具有除磷脫氮功能，采用微孔鼓風曝氣，安裝有高度自動化控制系統及各類檢測設備和儀表，剩余污泥采用離心脫水干化后外運，尾水消毒采用紫外消毒工藝，同時建設有強化除磷加藥車間用于穩定除磷效果，處理后的出水排入江體。

2 A2/O生化池鼓風曝氣變頻調速PID控制系統
2.1 系統功能
北沖污水處理廠A2/O生化池鼓風曝氣變頻PID控制系統設計考慮如下兩點：第一，曝氣池所需風量的變化與水質和水量相關，而水質和水量有一定規律，變化較小，而且A2/O工藝的曝氣池水位基本上保持不變。因為送風管壓力變化較小，羅茨風機具有恒轉矩輸出的特性，流量和轉速成正比例的關系，軸功率和轉速也成正比例關系，與離心風機相比較在控制上更容易把握，所以選用節能、靈活的帶變頻調速的羅茨鼓風機。第二，用變頻器改變交流電機的轉速方式控制羅茨風機流量，大幅度減少了用管道調節閥來調節空氣流量的機械方式所造成的能量損耗，不會產生附加壓力損失，調節風量范圍0%～100%，調節范圍寬，處于低負荷下運行，可延長設備使用壽命，節能效果顯著。第三，鼓風曝氣是一種閉環調節的自動控制模式，根據溶解氧的偏差來調整鼓風機流量，這種模式可以實現關于水質、水量的最優控制，曝氣效果最佳，節能的效果最顯著。
2.2 系統構成
控制系統由以下設備構成：主送風管路裝設空氣流量計、壓力計、信號上傳至曝氣系統的控制裝置。曝氣池上根據氧的理論分布安裝溶解氧檢測儀，信號上傳至曝氣系統的控制裝置。每臺鼓風機配備一套無速度反饋的U/f可調的變頻器，變頻器具備PI調節功能模塊，反饋控制信號可下傳至變頻器。曝氣系統的控制裝置采用PLC（可編程邏輯控制器）和相應的HMI（人機界面），PLC具有PID操作指令，并配有全面、安全的輸入輸出接口，信號通過現場站PLC的模塊進行采集后，通過全廠光纖網絡送至中心控制室，中心控制室通過工業以太網對現場PLC控制站采集到的信號數據，生成工藝監控實時畫面，作為人機操作界面，供操作管理人員實時監控和管理整個污水處理工藝流程。HMI通過文字和圖形動態地反映在線數據，如空氣流量、溶解氧值、壓力、頻率、電流以及設備狀態等，操作人員可以進行即時的參數修改、分布操作或模式選擇。曝氣系統的PLC是污水處理廠自控系統的組成部分，與中央控制室的上位計算機實現通信。
2.3 系統控制
2.3.1 羅茨鼓風機的控制
PLC采集每套鼓風機的手動/自動位置、運行狀態、故障信號；總出風管風壓值、總出風管風量值、每臺鼓風機的頻率、電流等；同時給出鼓風機的啟停指令。PLC記錄每臺羅茨鼓風機的當前運行時間和累計運行時間，時間以小時進行記錄。中控室監控計算機畫面上每臺羅茨風機設置遙控/自動轉換按鈕。操作人員可以通過鼠標在中控室監控計算機對鼓風機進行手動啟停控制。中控室監控計算機實時顯示總出風管風壓值、總出風管風量值、每臺羅茨鼓風機的頻率、電流等，每臺羅茨鼓風機的當前運行時間和累計運行時間。當羅茨鼓風機出現故障信號時，停止運行或禁止啟動鼓風機。
2.3.2 溶解氧（DO）控制
點擊中控室監控計算機羅茨鼓風機圖標，可進入羅茨鼓風機控制畫面，羅茨鼓風機的控制根據污水在生化池上出口的溶解氧濃度的溶解氧（DO）值保持在某一設定值（如2 mg/l）（或也可根據ORP來調節），都可根據按鈕來選擇，DO控制主要參數和PID控制參數都可在上位機設定。在實際控制中，羅茨鼓風機的風量設定值為工藝理論值，這一值經溶解氧反饋信號比較后，根據偏差實時調節風量的增減，最終使污水溶解氧值穩定在設定值（也可根據季節、水質的變化等實際情況不斷調整）。
在上方的趨勢圖中可看到實際值和設定的值的曲線，進而可方便的調節工藝參數，使鼓風機的效率、出水水質達到最優化，畫面如圖2所示。
3 系統效應
降低電耗：系統能降低污水處理廠曝氣系統能耗15%～40%；污水處理廠出水達到排放標準：通過實時監測滿足排放要求；增加污水處理廠的處理量：系統對處理工藝進行優化后，可評估污水處理廠的處理量；提高污水處理工藝可控性及穩定性：在曝氣量和水量足夠的情況下，DO設置值和PID控制動態調整，使出水達到排放標準；預警和工藝幫助：系統能依據數據來判斷污水處理廠的工藝何時需調整。
4 結語
經過幾年的使用，A2/O生化池鼓風曝氣變頻調速PID控制系統在我廠運行至今系統穩定、可靠、操作方便、使用安全、效率高、故障率低，污水處理效果好，提高了勞動生產率，有良好的節能效果，強化了自動化管理。